1. Educación

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
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DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
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CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MORFODINÁMICO DEL
CANAL DE CUAUTLA, NAYARIT, MÉXICO
Franco Ochoa Cuauhtémoc1, Mendoza Baldwin Edgar G.2 y Silva Casarín Rodolfo2
1
Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Sinaloa. Circuito Escolar S/N, Ciudad Universitaria,
Culiacán de Rosales, Culiacán, Sinaloa, México. C.P. 80013
2
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Escolar S/N, Edificio 5,
Ciudad Universitaria, Del. Coyoacán, México D.F., México. C.P. 04510
[email protected], [email protected], [email protected]
Introducción
inestabilidad de aproximadamente 3 km de playas adyacentes
al canal (Ilustración 1).
El canal de Cuautla es una boca costera artificial que se
construyó sobre la barra de Novillero en la costa norte de
Nayarit entre 1974 y 1976 por parte del gobierno federal a
través de la entonces Secretaría de Recursos Hidráulicos
(SRH). Este canal fue diseñado con el propósito de
incrementar la producción pesquera en el sistema lagunar –
estuarino de Teacapán – Agua Brava y para dar acceso al
pescador hacia mar abierto. La geometría original del canal
era 40 m de ancho, 2 m de profundidad y casi 3 km de largo, y
en su comunicación con el mar se construyeron dos escolleras
de roca natural con separación de 200 m (Fotografía 1).
Ilustración 1. Imagen satelital del Canal de Cuautla año 2013.
La Ilustración 2 muestra dos perspectivas de la morfología
del canal, obtenidas a partir de datos medidos en campo en
septiembre del 2012.
Fotografía 1. Vista aérea del Canal de Cuautla tomada en 1976
(fotografía tomada de Fuentes et al, 2002).
Sin embargo, por un diseño erróneo del canal, los grandes
volúmenes de agua que pasan a través de él, por el efecto de la
marea y las descargas de varios ríos, causaron que se
ensanchara y se hiciera más hondo, al grado que hoy se puede
observar que algunas de sus secciones transversales, rebasa los
800 m de ancho y los 25 m de profundidad. Por otra parte, este
proceso de erosión junto con el oleaje predominante que
proviene del primer cuadrante, han contribuido a la
Ilustración 2. Batimetría del canal de Cuautla del 2012: a)
Perspectiva longitudinal oeste a este, b) Perspectiva transversal
sur a norte.
Se puede ver que la parte más profunda se encuentra del lado
de la laguna, revelando que la erosión del canal depende más
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de los procesos que ocurren del lado de la laguna que de los
procesos del lado del mar. Con los datos obtenidos en ese
mismo año, se calculó un área en la sección transversal de la
garganta del canal (sección más angosta) del orden de los
8 800 m2, y un prisma de marea viva máxima (rango de 1.25
m) del orden de los 128 000 000 m3. Cabe mencionar que en
el análisis de los datos obtenidos, se observó una asimetría en
las corrientes de marea que provoca un dominio de las
corrientes de reflujo, por lo que en la mayoría de los casos el
prisma de marea asociada a la fase de reflujo fue ligeramente
mayor al de la fase de flujo. Por otra parte, como un primer
esfuerzo para entender la dinámica del canal, se analizó su
estabilidad siguiendo a Stive y Rakhorst (2008), quienes
desarrollaron una ecuación con la cual se puede estimar la
sección transversal estable de la boca de una laguna en
función del prisma de marea. A partir de dicha ecuación y
usando los valores estimados de los parámetros para el caso
del canal de Cuautla se obtuvo la siguiente ecuación:
(1)
donde es el área de la sección transversal del canal en
,
es el prisma de marea en
. La Ilustración 3 muestra
gráficamente esa relación o dependencia del área con el
prisma de marea.
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cabo alguna solución a la problemática actual, se gestará un
deterioro ambiental aún mayor que el actual en el que los
aspectos socio – económicos de la zona se verán afectados de
forma importante.
Con la finalidad de contribuir al conocimiento del
comportamiento morfodinámico de bocas costeras artificiales,
dirigido al diseño de soluciones que trabajen en conjunto con
los procesos físicos que suceden en una zona en particular, en
el presente trabajo se ha planteado como objetivo caracterizar
el comportamiento morfodinámico del canal de Cuautla
mediante la evaluación de la velocidad y el área de la sección
transversal del canal y el prisma de marea, para integrar una
metodología con la cual sea posible analizar y controlar los
cambios morfológicos del canal.
Metodología
En el presente trabajo se realizaron un conjunto de
simulaciones numéricas con un modelo hidrodinámico
bidimensional promediado en la vertical que resuelve las
ecuaciones de ondas largas mediante diferencias finitas. El
dominio de cálculo consistió en una malla regular de 1 100 x
1 600 celdas cuadradas de 50 m por lado.
En la Ilustración 4 se muestra el dominio completo, el cual
para facilitar el cálculo numérico, se giró 16º en sentido
horario, por lo que el sistema de referencia es arbitrario.
Se puede apreciar en la Ilustración 4 que el dominio abarca
todo el sistema lagunar de Teacapán – Agua Brava, desde la
laguna de Agua Brava, en la parte inferior, hasta la laguna de
Agua Grande, en la parte superior. El paso de tiempo
seleccionado fue de 4 s, la pérdida de energía debido a la
fricción en el fondo y la turbulencia fueron representadas,
respectivamente, por el coeficiente de Chézy y el coeficiente
de viscosidad de remolino (Eddy viscosity). El tiempo de
simulación fue de 720 horas. La velocidad, el gasto y la
elevación de la superficie libre fueron registrados a cada hora.
Ilustración 3. Variación del área de la sección transversal del
canal en función del prisma de marea.
Si de la Ilustración 3 se estima el área de la sección
transversal estable del canal, a partir del prisma de marea
calculado con los datos obtenidos en campo, se obtiene un
área de 9 800 m2, que al compararla con el área de la sección
transversal actual del canal de 8 760 m2 sería mayor, por lo
que, podemos suponer que el canal continuará ganando área
transversal en el futuro.
Como consecuencia del ensanchamiento y profundización del
canal de Cuautla el funcionamiento del sistema lagunar –
estuarino de Teacapán – Agua Brava se ha visto afectado a tal
grado que se puede decir que trabajada en dos sistemas
independientes. Se ha reducido el aporte de agua hacia la parte
norte del sistema a pulsos atenuados de marea. Los cuerpos de
agua al sur del sistema pasaron de ser predominantemente de
agua dulce o salobre a predominantemente salobre o marina.
En cada ciclo de marea parte importante de la descarga
hidrológica que llega al sistema sale ahora por el canal de
Cuautla. Se presenta erosión en las playas adyacentes al canal
de Cuautla, y cambios en la biodiversidad en todo el sistema.
Ilustración 4. Dominio numérico completo.
Dado que la expectativa a corto y a mediano plazo es que el
aporte de agua desde el sur no tenderá a incrementarse sino,
posiblemente a disminuir, en consecuencia, si no se lleva a
Las simulaciones se llevaron a cabo considerando distintas
áreas hipotéticas de la sección transversal del canal siendo
uniforme a lo largo de su eje longitudinal, posteriormente el
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dominio de cálculo se forzó con una señal de marea
característica de la zona en la frontera izquierda y con
caudales constantes en los ríos en la frontera derecha. En la
Ilustración 5 y en la Tabla 1 se presentan, respectivamente,
la señal de marea empleada y el caudal aportado por los ríos
durante las simulaciones. Cabe mencionar que el caudal
considerado en los ríos corresponde al caudal medio diario
superado el 50 % de los días durante el verano.
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media máxima y el prisma de marea en función del área de la
sección transversal del canal.
Obsérvese que la velocidad media máxima tiende a
incrementarse hasta que el canal alcanza un área del orden de
los 1 650 m2, a partir de allí tiende a disminuir conforme el
área del canal aumenta. En cuanto a la relación prisma de
marea – área de la sección transversal del canal, primero el
prisma de marea se incrementa de forma importante hasta que
el canal alcanza alrededor de los 8 000 m2, a partir de allí el
área del canal muestra una expansión bajo un prisma de marea
casi constante.
(m)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
Día 1
Día 8
Día 15
Día 22
Día 29
Tiempo
Ilustración 5. Señal de marea característica de la zona.
Tabla 1. Caudal medio diario de los ríos superado el 50 % de los
días durante el verano.
Ríos
Caudal medio diario en
verano
[m3/s]
Cañas
6.99
Acaponeta
76.03
Bejuco
2.81
Rosamorada
2.81
Previamente a las simulaciones se llevó a cabo un proceso
adecuado de calibración y validación del modelo numérico
con datos base recopilados mediante campañas de campo
realizadas en la zona (Franco O. C., 2014).
Resultados
En la Tabla 2 se anotan estimaciones de la velocidad media
máxima del canal de Cuautla y el prisma de marea, los cuales
se obtuvieron aplicando el modelo numérico con las distintas
áreas hipotéticas de la sección transversal del canal,
considerando una señal de marea característica de la zona y
caudales medios en las descarga de los ríos. Los valores de
estas velocidades y prismas de marea corresponden a un rango
de marea viva del orden de 1.25 m.
Tabla 2. Velocidad media máxima del canal y prisma de marea.
Área
[m2]
80
650
1 650
2 950
5 100
8 000
9 000
10 200
11 050
Velocidad máxima
media
[m/s]
1.04
1.23
1.42
1.33
1.24
0.94
0.86
0.78
0.72
Prisma de marea
[m3]
1 232 454
9 802 065
46 179 235
64 651 811
103 388 605
126 200 977
129 237 692
130 290 714
131 491 216
En la Ilustración 6 se representan gráficamente los valores de
la Tabla 2 a fin de visualizar la variación de la velocidad
Ilustración 6. Variación de la velocidad media máxima y el prisma
de marea en función del área de la sección transversal del canal.
Discusión
Se ha encontrado a partir de mediciones en campo, en donde
se asumió la existencia de condiciones de equilibrio, que en
una costa de arena una boca costera natural mantiene una
sección transversal estable cuando durante marea viva la
velocidad media máxima sobre su sección transversal es del
orden de 1 m/s (Escoffier, 1940; Bruun 1968, 1990). Esta es la
velocidad con suficiente capacidad de transporte para remover
el sedimento proveniente del acarreo litoral y mantener la
sección transversal de la boca sin erosionarla.
Si asumimos esta proposición para el caso del canal de
Cuautla, el área de la sección transversal estable del canal
sería del orden de los 7 500 m2 para condiciones reinantes.
Esta área no permanece estática a lo largo del tiempo, si no
que aumenta o disminuye como resultado de cualquier
desviación en los factores que controlan la morfología del
canal, no obstante, el canal tiene la capacidad de
autoregenerarse, y por lo tanto, su sección transversal tiende a
recuperar el área de su sección estable. Dicha capacidad de
autoregeneración tiene un determinado límite, que si se rebasa
el canal no tendrá el suficiente control para mantener este
estado de equilibrio dinámico, y en consecuencia, los distintos
elementos del canal conducirán a un nuevo estado de
equilibrio ya sea estático o dinámico.
Se ha observado que el canal de Cuautla desde su apertura y a
lo largo del tiempo ha experimentado, como respuesta a
condiciones específicas, una serie de cambios en su sección
transversal que tienden a aumentar su área. Esto ha conducido
a una sucesión de estados de equilibrio, pero diferentes uno
respecto de otros; así pues, a este tipo de equilibrio se le
denomina metaestable o hiperestático (Woodroffe, 2002).
Por otra parte, el área de la sección transversal estable
estimada de 9 800 m2 a partir de la relación
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, es significativamente mayor al área de 7 500 m2
estimada al asumir la proposición de que durante marea viva
la velocidad media máxima sobre la sección trasversal del
canal en condiciones de equilibrio es de 1 m/s. Esta diferencia
pudiera reducirse, por un lado, al revisar los valores estimados
de los parámetros con los cuales se obtuvo la ecuación (1), y
por otro lado, al estimar con mayor precisión la magnitud de la
velocidad media máxima sobre la sección transversal del canal
durante marea viva en condiciones de equilibrio.
Conclusiones
Las posibilidades que se consideren como alternativas de
actuación deben tomar en cuenta que el canal más bien se
encuentra en condición meta estable, por lo que pudiera crecer
su sección transversal hasta ser mayor a la sección transversal
estable como respuesta a condiciones específicas, hasta al
grado de alcanzar un nuevo estado de equilibrio ya sea estático
o dinámico.
En el diseño de cualquier alternativa de actuación, además de
los efectos del oleaje y la marea se debe considerar por lo
menos el efecto de las descargas de los ríos, ya que este es el
principal evento natural que en corto tiempo puede intensificar
la magnitud de las corrientes a lo largo del canal, y provocar la
erosión de su fondo y/o las paredes.
Referencias
BRUUN, P. Tidal inlets and littoral drift. University Book
Co., Oslo, Norway, 1968, 193 pp.
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Engineering, Vol. 2, Chapter 9, editorial, Gulf Publications,
1990, pp. 810 – 929.
ESCOFFIER, F.F. The stability of tidal inlets. Shore and
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FUENTES, O., JIMÉNEZ, M. Observaciones sobre la
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Nayarit. Informe preparado para la Dirección General de
Protección Civil y la Unidad Estatal de Protección Civil de
Nayarit, Nayarit, Centro Nacional de Prevención de Desastres
(CENAPRED), 2002, pp. 13.
FRANCO, C. Estudio integral sobre la erosión del canal de
Cuautla para el diseño de una propuesta de solución. Tesis
doctoral. México D.F. UNAM, 2014, 166 pp.
STIVE, R., RAKHORST, D. Review of Empirical
Relationships between Inlet Cross-section and Tidal Prism.
Journal of Water Resource and Environmental Engineering,
number 23, 2008, pp. 89–95.
WOODROFFE, C. Coasts: form, process and evolution.
Cambridge University Press, United Kingdom, 2002, 624 pp.
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